硬地層自清潔射孔彈設計及應用效果

張永濤 郭圣延 陳書豪 盛廷強 石前 杜永安 王朝輝

1. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518054

2. 大慶油田射孔器材有限公司 黑龍江 大慶 163853

3. 中海油服油田技術事業部塘沽作業公司 天津 300450

4. 中海油服油田技術事業部深圳作業公司 廣東 深圳 518054

在巖石較硬油氣儲層進行射孔時獲得必要的穿孔深度難度很大。研究表明，射孔彈實際穿孔深度隨油氣儲層抗壓強度的提高下降非常明顯，同時套管內的環空壓力、儲層壓力都會導致穿孔深度的下降，國內這方面的研究在2010年前就已經開始[1]，國外研究更早更深入，更加重視實際模擬射孔深度和效果。

硬地層自清潔射孔彈，將硬地層射孔彈和自清潔技術相結合，在硬地層油氣儲層中實現更深和破除射孔壓實帶的清潔孔道。

1 硬地層自清潔射孔彈設計

1.1 影響射孔彈實際穿孔深度的因素

影響射孔穿深效果的因素很多，主要有射孔層巖石的性質（主要是巖石的成分、滲透率、抗壓強度、孔隙度等）、儲層壓力、巖理紋路等。

隨著射孔層巖石的抗壓強度的提高，射孔彈的穿孔深度會顯著下降，射流終止速度越高，可以用于破甲的長度越短，直接導致穿孔深度的降低。儲層壓力對射孔彈的穿孔深度的影響非常大（見圖1），文獻[2-3]顯示，隨著地層壓力（圍壓等）的提高，穿孔深度會顯著下降，實驗室模擬圍壓實驗表明，最大下降幅度可以超過50%[1]。

圖1 儲層壓力對射孔彈穿孔深度的影響

圖2 自清潔射孔孔道末端形態

1.2 硬地層自清潔射孔彈的設計

藥型罩結構是射孔彈設計的關鍵，適合的設計結構有：雙曲線結構、外曲線結構、內曲線結構、內多錐結構等[4-7]。為了延長藥型罩母線長度和保持射流的連續性，提高有效射流的長度，采取漸變式內母線結構，可以提高有效射流的長度和質量，保持射流的漸變性和連續性，減少射流速度突變產生的負面影響，還能夠降低生產工藝難度。

裝藥結構是影響射孔彈性能的最主要因素之一[6-7]。不同的裝藥結構可以產生不同形狀的爆轟波，與殼體內表面反射的一次反射波相疊加，獲得期望得到的爆轟波波形，從而增大作用在藥型罩表面的爆轟波的壓合角，改善藥型罩形成的射流的速度和質量分布效果。經過理論分析、數值模擬和現場實驗，改變常用的小錐角頭部裝藥設計習慣，采用適當增加頭部裝藥的大錐角設計模式。為了充分發揮藥型罩靠近開口部分藥型罩的作用，在設計上，有意增加這部分裝藥，適度提升這一部分的射流速度和利用率。這種裝藥結構，能夠有效增加驅動藥型罩向軸線匯聚的能量，提高有效射流的長度和質量。

射孔彈合壓生產工藝采用小壓力多次合壓成型工藝，使炸藥分布均勻，提高射孔彈的一致性和穿孔深度的穩定性，提高射孔彈制造過程中的安全系數。理論分析和對比實驗，小壓力多次壓成型工藝可以提高射孔彈穿孔深度穩定性5%～15%，平均穿孔深度提升5%～8%。

2 模擬硬地層油氣儲層條件下射孔效果實驗[8-11]

為了準確模擬深層油氣儲層的實際條件，獲得更加貼近實際使用效果的射孔數據，進一步確定設計的硬地層油氣儲層條件下是否能夠獲得理想的穿孔效果，進行了模擬射孔效果實驗。

采用API 19B[12]推薦的模擬測試裝置，砂巖選擇紫砂巖，孔隙度5.56%，滲透率0.14×10-3μm2，抗壓強度≥100MPa，模擬井筒壓力30MPa儲層壓力40MPa。

模擬實際射孔條件[4]下穿孔效果見表1。

表1 模擬實際射孔條件下穿孔效果

硬地層自清潔射孔彈HSR46-1和硬地層射孔彈HS46-1射孔效果，見圖3。

圖3 硬地層自清潔射孔彈和硬地層射孔彈射孔后的孔道

硬地層射孔彈HS46-1型與常規超深穿透射孔彈SDP45-1型在不同抗壓強度的混凝土靶上的實際穿孔深度進行了實測實驗，實測數據見圖4。

圖4 硬地層射孔彈與超深穿透射孔彈在不同抗壓強度的混凝土靶上穿孔深度的變化

通過上述實驗數據初步分析，發現：

常規射孔彈設計時針對的目標靶抗壓強度為34.5MPa混凝土靶，在硬地層中難以充分發揮其效能。

自清潔射孔彈射孔后，砂巖內孔道粗大，孔道壁疏松，無壓力水沖洗時，孔道壁上砂巖碎屑可以隨水流流動，孔道末端粗大，有明顯二次反應痕跡，砂巖呈高壓壓裂后的表現見圖3。

常規射孔彈、超深穿透射孔彈射孔后，砂巖內孔道較細，孔道壁較硬，壓實帶明顯，孔道末端有杵體堆積現象。

3 應用效果

硬地層和硬地層自清潔射孔彈應用在較深層的油氣井開發中。

3.1 在T 油田應用的效果

新疆T油田北區塊某井2018年8月19日對3722.0～3725.0m負壓射孔后自噴，22日因油壓降至零停噴。地質分析認為該層與下部3736～3742m油水同層竄通，封竄驗收合格后，因油壓降至0而停止產油。

使用硬地層射孔彈 H S 4 4 R D X 3 8-1 型補孔，第一次補孔孔密1 3 孔/m，射孔井段：3721.2～3723.6m，用彈32發；第二次補孔孔密16孔/m，射孔井段：3725.0～3727.0m，用彈32發。經過氣舉等措施，4mm油咀放噴，油壓6.5MPa，日產油23m3，日產氣1.5萬m3，實現了較好的產能效果。

同樣狀況一口井應用深穿透射孔彈進行了二次補孔，產液量為零，壓力為零。

3.2 在L 油田應用的效果

2021年在L油田某井低滲儲層進行了TCP動態負壓和硬地層自清潔組合射孔工藝技術，使用114射孔槍，孔密16孔/m，裝配硬地層自清潔HSR46-1型射孔彈；油藏類型為邊水，射孔斜深4371.0～4546.0m，射孔162m，夾層13.0m，使用射孔彈2494發。

P-T儀記錄壓力曲線顯示，自清潔和動態負壓作用明顯，射孔層位靜壓6036psi，射孔彈爆轟最高壓力11340psi，自清潔產生的微壓裂及清潔孔道最高壓力5693psi，動態負壓最低點壓力值3042psi，最大負壓差2994psi，平均動態負壓為2000psi（13.79MPa）。動態負壓作用從射孔起爆后爆轟壓力達到最高峰值時間（12s598ms）后13s（12s611ms）開始產生，符合動態負壓做功的有效時間段（100ms以內），動態負壓持續時長800ms。射孔彈爆轟最高點與自清潔射孔做功最高點時差30ms，見圖5。

圖5 P-T儀記錄壓力曲線

4 結束語

硬地層射孔彈相對傳統超深穿透射孔彈射流具有更高的射流密度和射流硬度，射流梯度合理，更適合硬地層（深層）油氣井射孔。

硬地層自清潔射孔彈能有效清潔孔道，去除射孔壓實帶，增大泄油面積，是硬地層（深層低孔低滲地層）射孔最佳選擇。

在較軟的油氣儲層射孔時，常規深穿透射孔彈比較實用。